Eerder deze maand, het Muon g-2 ("g minus twee") experiment in Fermilab begon zijn tweede run om te zoeken naar verborgen deeltjes en krachten.

In de komende drie maanden zal wetenschappers verwachten de dubbele hoeveelheid gegevens te verzamelen die in Run 1 zijn verzameld en 's werelds meest nauwkeurige meting van het afwijkende magnetische moment van het muon te maken, vaak uitgedrukt als de hoeveelheid g-2.

Run 2 bevat verschillende verbeteringen die wetenschappers de afgelopen acht maanden aan het experiment hebben aangebracht.

"We zijn op zoek naar een stabielere omgeving waarin we de gegevens verwerken, omdat we in de eerste periode van het verzamelen van gegevens probeerden dingen werkend te krijgen en te evalueren hoe ze werken, " zei Mark Lancaster, de mede-woordvoerder van het experiment en een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Manchester en University College London. "Nu proberen we naar de modus te gaan waarin de dingen veel stabieler zijn, en we kunnen een redelijke periode draaien zonder enige tussenkomst."

Muonen zijn elementaire deeltjes vergelijkbaar met, maar veel zwaarder dan elektronen. Het magnetische moment van een muon - een kenmerk dat verband houdt met de oriëntatie en sterkte van zijn interne magneet - verandert terwijl het draait, een effect genaamd precessie. Lancaster en zijn collega's meten zeer nauwkeurig de precessiefrequentie van het magnetische moment en vergelijken het resultaat met wat theoretici voorspellen dat het zou moeten zijn. Daarbij, ze hopen te bevestigen, of zelfs herzien, het standaardmodel van de deeltjesfysica.

"Terwijl het door het universum reist, een deeltje is nooit echt alleen, " zei Chris Polly van Fermilab, de andere co-woordvoerder van het experiment. "Er is constant een entourage van andere deeltjes die uit het vacuüm verschijnen. Ze komen uit het niets, en ze verdwijnen net zo snel als ze zijn ontstaan."

Die deeltjes veranderen het magnetische moment van het muon enigszins. Door te berekenen hoe vaak ze in en uit het vacuüm zullen springen en interageren met het muon, wetenschappers kunnen de impact van alle bekende deeltjes op het magnetische moment met zeer hoge precisie voorspellen. De vergelijking van deze voorspelling met de experimenteel verkregen waarde zal wetenschappers vertellen of er aanvullende, onontdekte deeltjes of krachten die het magnetische moment veranderen.

Onbeweeglijk, muonen vervallen in slechts twee miljoenste van een seconde. Dat verval produceert twee neutrino's en een positron, wat een positief geladen elektron is.

"Het grootste deel van onze gegevens is afkomstig van het kijken naar energieën en tijden van verval van positronen die afkomstig waren van de muonen, zei Brendan Kiburg, een Fermilab-deeltjesfysicus betrokken bij het experiment.

Het verkrijgen van die gegevens vereist een zeer uniforme, nauwkeurig gemeten magnetisch veld.

"Het is ongelooflijk belangrijk dat we het magnetische veld kennen dat de muonen ervaren, " zei Kiburg. "Omdat de nieuwe fysica die we zoeken is ingebed in de precessiefrequentie, je moet ervoor zorgen dat de muonen geen ander magnetisch veld zien dan het veld dat we meten."

Fijnafstemming van de ring

De opslagringmagneet van het experiment kwam in 2013 naar Fermilab vanuit zijn oorspronkelijke huis in het Brookhaven National Laboratory. Na jaren van constructie en aanpassingen, operators hebben de straal afgesteld en betrokken bij Run 1, een productierun van drie maanden in 2018.

"Vanwege die productierun, we konden leren over een paar tekortkomingen die we echt moesten oplossen, ' zei Polly.

Er zijn verschillende gebieden waar het team zich tijdens de zomer op heeft gefocust. De eerste was een systeem van quadrupoolmagneten die de muonen focusseren en voorkomen dat ze omhoog of omlaag spiraliseren.

"Tijdens de shutdown ontdekten we dat we de betrouwbaarheid van de werking van de quadrupolen moesten verbeteren, vooral bij de hogere spanningen die we in de komende run willen bereiken, ' zei Polly.

Een ander probleem betrof een apparaat dat een elektromagnetische kicker wordt genoemd. Het verschuift de baan van de muonen heel licht om ze op een pad te houden dat binnen de ring blijft.

"De kicker is waarschijnlijk het belangrijkste onderdeel van het experiment buiten de ring zelf, ' zei Kiburg.

Zonder de kicker, de muonen gedragen zich als een Formule 1-coureur wiens raceauto in de verkeerde hoek staat, waardoor ze in de eerste ronde tegen de muur vlogen. Om dit te voorkomen, de kicker verschuift de hoek van de muonen als ze door de poort van de ring komen.

"Een van de problemen met de kicker bij Brookhaven was dat hij te langzaam was. ' zei Polly. 'In plaats van de muonen een schop te geven bij de eerste bocht en af ​​te sluiten, de kicker-puls duurde twee of drie omwentelingen rond de ring. Dat was niet ideaal, dus ontwierpen we een kicker voor dit experiment die in één keer op en neer kan gaan."

Terwijl de kick ingezet tijdens Run 1 bij Fermilab drie keer sneller was, het was niet sterk genoeg om de muonen in precies de perfecte baan rond de ring te duwen. Tijdens de uitschakeling, het team verbeterde de ring om plaats te bieden aan een krachtigere kicker.

Het derde probleem was de temperatuurregeling in het Muon g-2 gebouw. De magnetische opslagring is extreem temperatuurgevoelig - zozeer zelfs dat een verandering van meer dan een enkele graad Celsius ervoor kan zorgen dat deze uitzet of krimpt, degradatie van het magnetische veld. Tijdens het uitvoeren van Run 1 tijdens de heetste zomermaanden, het op temperatuur houden van de faciliteit was een uitdaging. Verbeteringen aan de verwarmings- en koelsystemen van de faciliteit zouden dat moeten verhelpen, zei Polly.

Een berg gegevens

Het team is onlangs begonnen met het brengen van de straal naar de opslagring en het testen of de upgrades werkten zoals gepland. Een belangrijk doel van Run 2 is om het magnetische moment zeer nauwkeurig te meten, tot 70 delen per miljard. Om dat soort precisie te krijgen, het magnetische veld moet zeer uniform zijn.

"We hebben het magnetische veld zo kunnen aanpassen dat het twee tot drie keer uniformer is, ' zei Polly. 'Dus, hoewel we dezelfde container gebruiken, we hebben er in feite een veel betere container van gemaakt om dit magnetische veld te begrijpen."

Het team moest ook de muonflux van het experiment stimuleren, het aantal muonen per seconde dat nodig is om de noodzakelijke statistische precisie te bereiken. In run 1, ze bereikten ongeveer de helft van hun doel. Een hele reeks upgrades die in de zomer zijn voltooid, zal naar verwachting de stroom verhogen tot ongeveer 75 procent van het doel. Een laatste upgrade die het team overweegt voor volgende zomer zou de rest van de weg de stroom krijgen, zei Polly.

Een aanstaande uitdaging is de enorme hoeveelheid gegevens. Run 2 heeft tot doel de onzekerheid in het resultaat van het Brookhaven Muon g-2-experiment met een factor vier te verminderen, waarvoor 16 keer de statistieken nodig zijn. Dat zijn veel gegevens.

"Ons doel is om de gegevens te verwerken zoals ze binnenkomen, Lancaster zei. "We gebruiken gedistribueerde computers voor alles, dus verwerken we alles op het net. Een deel van wat we nastreven is om dat robuuster en betrouwbaarder te maken."

En robuustheid en betrouwbaarheid vereisen nauwkeurigheid.

"Daarom doorloop je het hele ontwerpproces zo zorgvuldig, "Zei Kiburg. "Het is zodat je het punt kunt bereiken waarop je het in een natuurkundig resultaat verandert, en we staan ​​daar voor de deur, dus dit is een leuke tijd."